JP6727095B2 - 異種金属接合方法 - Google Patents

異種金属接合方法 Download PDF

Info

Publication number
JP6727095B2
JP6727095B2 JP2016203499A JP2016203499A JP6727095B2 JP 6727095 B2 JP6727095 B2 JP 6727095B2 JP 2016203499 A JP2016203499 A JP 2016203499A JP 2016203499 A JP2016203499 A JP 2016203499A JP 6727095 B2 JP6727095 B2 JP 6727095B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
metal layer
metal
dissimilar metal
dissimilar
layer forming
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2016203499A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2018065144A (ja
Inventor
藤谷　泰之
泰之 藤谷
石井　建
建 石井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Heavy Industries Ltd filed Critical Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority to JP2016203499A priority Critical patent/JP6727095B2/ja
Priority to CN201780046533.5A priority patent/CN109496171B/zh
Priority to US16/320,862 priority patent/US11235408B2/en
Priority to PCT/JP2017/036952 priority patent/WO2018074312A1/ja
Publication of JP2018065144A publication Critical patent/JP2018065144A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6727095B2 publication Critical patent/JP6727095B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups
    • B23K31/12—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups relating to investigating the properties, e.g. the weldability, of materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/25—Direct deposition of metal particles, e.g. direct metal deposition [DMD] or laser engineered net shaping [LENS]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K15/00—Electron-beam welding or cutting
    • B23K15/0046—Welding
    • B23K15/0086—Welding welding for purposes other than joining, e.g. built-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342—Build-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/04—Welding for other purposes than joining, e.g. built-up welding
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/02—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines
    • F01D1/06—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines traversed by the working-fluid substantially radially
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/025—Fixing blade carrying members on shafts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2207/00—Aspects of the compositions, gradients
    • B22F2207/11—Gradients other than composition gradients, e.g. size gradients
    • B22F2207/13—Size gradients
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2207/00—Aspects of the compositions, gradients
    • B22F2207/11—Gradients other than composition gradients, e.g. size gradients
    • B22F2207/17—Gradients other than composition gradients, e.g. size gradients density or porosity gradients
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B22F2998/10—Processes characterised by the sequence of their steps
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/02—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite layers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/001—Turbines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/18—Dissimilar materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/18—Dissimilar materials
    • B23K2103/20—Ferrous alloys and aluminium or alloys thereof
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F05D2230/23—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Description

本発明は、異種金属接合方法に関する。
従来、アルミニウム（Ａｌ）と鉄（Ｆｅ）等の異種金属同士を接合したり、金属母材の表面に金属母材と異なる種類の金属材料を被覆したりする方法として、アーク溶接、レーザ溶接、抵抗溶接等の溶融溶接が用いられている。
また、特許文献１には、金属母材の表面に金属母材とは異なる種類の金属材料を被覆する際に、両者の境界層及びその近傍において傾斜機能部を形成する方法が記載されている。傾斜機能部は、金属母材の組織と被覆層の組織とを相互に拡散させて両者の分布が金属母材側から被覆層側へかけて連続的な変化を示す部位である。
特許第２９８２３５５号公報
ところで、アルミニウムと鉄等の組み合わせでは接合界面に脆弱な反応層（金属間化合物）を生成すると同時に、線膨張係数等の物性が大きく異なる。これにより、接合界面で発生する熱応力が大きくなり、割れが発生し界面で破壊しやすく、溶融溶接を行うことは困難である。
また、機械的な接合方法、若しくは接着剤を用いて異種金属同士を接合する方法もある。しかしながら、機械的な接合方法では重量増加が問題となり、接着剤を用いる方法では強度不足が問題となる。
この発明は、割れが発生したり金属間化合物が生成したりするため、溶融接合が困難な異種金属の組合せを接合する場合において、溶融接合を可能とする異種金属接合方法を提供することを目的とする。
本発明の第一の態様によれば、異種金属接合方法は、第一金属から形成された第一被接合材の表面に、前記第一金属から形成された溶加材と前記第一金属よりも融点の高い第二金属から形成された粒子とを有する混合溶加材を供給して、前記混合溶加材を前記第一金属の融点以上前記第二金属の融点以下の温度となるように加熱することで異種金属層を形成する異種金属層形成工程と、前記異種金属層の表面に、前記第二金属から形成された溶加材を供給して、前記第二金属から形成された溶加材を前記第二金属の融点以上の温度となるように加熱することで前記第二金属からなる第二金属層を形成する第二金属層形成工程と、前記第二金属層に前記第二金属から形成された第二被接合材を溶接する第二被接合材溶接工程と、を備える。
このような構成によれば、異種金属層を構成する第一金属が第一被接合材と溶接されるとともに、第二金属層を形成する際に第二金属層と異種金属層に分散された第二金属とが溶接される。次いで、第二金属層に第二被接合材を溶接することにより、互いに混合することによって脆弱な金属間化合物が生成されるような金属の組合せであっても、必要な強度を確保して接合することができる。
上記異種金属接合方法において、前記異種金属層形成工程を繰り返すことにより、複数の前記異種金属層が順次積層された異種金属層積層構造を形成し、積層順序の第一番目の前記異種金属層形成工程で使用される前記混合溶加材における前記第一金属の比率が前記第二金属の比率よりも大きくなるように実行し、前記積層順序の第二番目以降の前記異種金属層形成工程を、前記積層順序が増加するにつれて、前記第二金属の比率が順次大きくなるとともに、前記第一金属の比率が順次小さくなるように実行してよい。
このような構成によれば、第二金属の比率を徐々に大きくなるように変化させることによって、第一被接合材と第二被接合材との接合強度を増すことができる。
上記異種金属接合方法において、前記複数の異種金属層形成工程を、前記積層順序が増加するにつれて前記第二金属の粒子の粒径が順次小さくなるように実行してよい。
このような構成によれば、溶接における加熱温度を変化させることなく、第二金属の粒子を徐々に溶融させることができる。これにより、異種金属層と第二金属層との接合強度を増すことができる。
上記異種金属接合方法において、前記複数の異種金属層形成工程を、前記積層順序が増加するにつれて前記混合溶加材の加熱温度が大きくなるように実行してよい。
このような構成によれば、積層順序が増加するにつれて第二金属の粒子を徐々に溶融させることができる。これにより、異種金属層と第二金属層との接合強度を増すことができる。
上記異種金属接合方法において、前記第一金属から形成された溶加材はワイヤであってよい。
このような構成によれば、第一金属をワイヤにて供給することによって、第一金属の粉末を用いることなく第一金属の層を形成することができる。即ち、第一金属の粉末が拡散する等の不具合を排除することができる。また、ワイヤの送り速度や径を変えることで、第一金属の供給量を調整することができる。
本発明によれば、脆弱な金属間化合物が生成されるような金属の組合せであっても、必要な強度を確保して接合することができる。
本発明の第一の実施形態の接合継手の側方から見た概略図である。 本発明の第一の実施形態の異種金属接合方法のフローチャートである。 本発明の第一の実施形態の第一被接合材形成工程を示す側方から見た概略図である。 本発明の第一の実施形態の積層順序の第一番目の異種金属層形成工程を示す側方から見た概略図である。 本発明の第一の実施形態のＬＭＤ装置のノズルから噴射される金属粒子の詳細図である。 本発明の第一の実施形態の積層順序の第二番目の異種金属層形成工程を示す側方から見た概略図である。 本発明の第一の実施形態の積層順序の第三番目の異種金属層形成工程を示す側方から見た概略図である。 本発明の第一の実施形態の第二金属層形成工程を示す側方から見た概略図である。 本発明の第二の実施形態の異種金属接合方法において使用される溶接装置の概略図である。 本発明の異種金属接合方法で製造することができるタービンロータの概略図である。 本発明の異種金属接合方法で製造することができる、船舶の船体構造の建造時に用いられるＴ字接合継手の概略図である。
〔第一の実施形態〕
以下、本発明の第一の実施形態の異種金属接合方法について図面を参照して詳細に説明する。
本実施形態の異種金属接合方法は、第一金属（例えば、アルミニウム（Ａｌ）。以下、アルミニウムと記載する。）と第二金属（例えば、鉄（Ｆｅ）。以下、鉄と記載する。）等の異種金属同士が接合された接合継手を形成する際に用いる。
図１に示すように、接合継手１は、本実施形態の異材金属接合方法を用いて第一被接合材１１と第二被接合材１２とを接合させた継手である。接合継手１は、第一被接合材１１と、第一被接合材１１と接合される第二被接合材１２と、第一被接合材１１と第二被接合材１２との間に介在する異種金属層積層構造２０及び第二金属層１３と、を有している。第一被接合材１１はアルミニウムＡによって形成されている。第二被接合材１２及び第二金属層１３は鉄Ｂによって形成されている。異種金属層積層構造２０は、アルミニウムＡ中に鉄Ｂの粒子が分散されている構造である。
本実施形態の接合継手１は、第一被接合材１１の表面１１ａにアルミニウムＡと鉄Ｂとからなる異種金属層積層構造２０を形成した後、異種金属層積層構造２０の表面２０ａに第二被接合材１２を溶接することによって得られる。
図２に示すように、異種金属接合方法は、第一被接合材形成工程Ｐ１と、異種金属層形成工程Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４と、第二金属層形成工程Ｐ５と、第二被接合材溶接工程Ｐ６と、を備えている。異種金属層積層構造２０は、異種金属層形成工程Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４を繰り返して、複数の異種金属層２１，２２，２３が順次積層されることにより形成される。
第一被接合材形成工程Ｐ１は、アルミニウムＡから形成された第一被接合材１１を形成する工程である。
異種金属層形成工程Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は、第一被接合材１１の表面１１ａに、アルミニウムＡの粒子と鉄Ｂの粒子とを混合した混合溶加材Ｃ（図５参照）を供給して加熱することで異種金属層２１，２２，２３を形成する工程である。
第二金属層形成工程Ｐ５は、複数の異種金属層形成工程Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４を経て形成された異種金属層積層構造２０の表面２０ａに、鉄Ｂから形成されている第二金属層１３を形成する工程である。
第二被接合材溶接工程Ｐ６は、第二金属層１３に鉄Ｂから形成された第二被接合材１２を溶接する工程である。
図３に示すように、第一被接合材形成工程Ｐ１は、アルミニウムＡから形成された第一被接合材１１を形成する工程である。第一被接合材形成工程Ｐ１では、溶接装置として、ＬＭＤ（レーザ・メタル・デポジション、Ｌａｓｅｒ Ｍｅｔａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、以下ＬＭＤと呼ぶ。）装置３０を用いてアルミニウムＡの層を積層する。
ＬＭＤ装置３０は、レーザ・メタル・デポジションを用いて金属材料からなるビード３４を形成する装置である。ＬＭＤは、レーザをワークに照射し、照射領域に金属粒子３３（粉末）を噴射することにより、レーザで金属粒子３３を溶融肉盛りする方法である。
ＬＭＤ装置３０は、レーザ光３２を照射する照射口と金属粒子３３を噴射する噴射口とを有するノズル３１を備えている。ノズル３１には、シールドガスを供給する供給口を設けることもできる。レーザ光３２は、金属粒子３３及び、ワークを溶融するエネルギーを、金属粒子３３及びワークに付与する。金属粒子３３は、ビード３４を形成するための原料である。シールドガスは、ビード３４の酸化を抑制するために供給される不活性ガスである。
ＬＭＤ装置３０は、図示しない移動装置に取り付けられている。移動装置は、例えば、マニピュレータによって構成されており、ＬＭＤ装置３０を移動させる。
第一被接合材形成工程Ｐ１においては、ＬＭＤ装置３０を図３の紙面に直交する方向に移動させながら一方向に延びるビード３４を形成する。ビード３４の形成を隙間なく行うことにより、アルミニウムＡにより形成された面が形成される。さらに、アルミニウムＡにより形成された面を積層することにより、第一被接合材１１が形成される。
ＬＭＤ装置３０のレーザ光３２のエネルギーは、アルミニウムＡの粒子（溶加材）の温度がアルミニウムの融点（６６０．３℃）以上となるように調整されている。
第一被接合材形成工程Ｐ１では、ＬＭＤ装置３０に限ることはなく、金属材料を積層することができる装置を使用することができる。
金属材料を積層することができる装置としては、線状の金属を連続的に配置することができる装置、例えば、溶接ロボットや、金属用３Ｄ（三次元）プリンタを採用することができる。溶接によって第一被接合材１１を形成する場合は、アーク溶接等の溶接方法を適宜用いることができる。
第一被接合材形成工程Ｐ１では、例えば、鋳造によって第一被接合材１１を形成したり、アルミニウムＡによって形成された部材を用意したりしてもよい。
異種金属層積層構造２０が形成される第一被接合材１１の表面１１ａは、平面であってよいし、曲面や球面であってもよい。
図４、図６、及び図７に示すように、異種金属層形成工程Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は、第一被接合材１１の表面１１ａにアルミニウムＡの粒子と鉄Ｂの粒子とを有する混合溶加材Ｃ（図５参照）を供給した後、混合溶加材Ｃを加熱することで異種金属層２１，２２，２３を形成する工程である。混合溶加材Ｃは、アルミニウムＡの金属材料の粒子と鉄Ｂの粒子とを混合した溶加材である。
第二番目の異種金属層形成工程Ｐ３は、第一番目の異種金属層形成工程Ｐ２にて形成された第一異種金属層２１の表面２１ａに第二異種金属層２２を積層する工程であり、第三番目の異種金属層形成工程Ｐ４は、第二番目の異種金属層形成工程Ｐ３にて形成された第二異種金属層２２の表面２２ａに第三異種金属層２３を積層する工程である。
第一番目の異種金属層形成工程Ｐ２と、第二番目の異種金属層形成工程Ｐ３と、第三番目の異種金属層形成工程Ｐ４とは、混合溶加材Ｃを構成するアルミニウムＡと鉄Ｂとの比率が異なる。
本実施形態の異種金属接合方法Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は、異種金属層積層構造２０の形成において、積層順序が増加するにつれて、鉄Ｂの比率が大きくなるように、アルミニウムＡの粒子（溶加材）と鉄Ｂの粒子（溶加材）の供給量を調整する。
図４に示すように、積層順序の第一番目の異種金属層形成工程Ｐ２により、第一被接合材１１の表面１１ａに第一異種金属層２１が形成される。混合溶加材Ｃによるビードの形成を隙間なく行うことにより、アルミニウムＡ及び鉄Ｂにより形成された面が形成される。
図５に示すように、異種金属接合方法Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４においては、ＬＭＤ装置３０のノズル３１の噴射口からは、アルミニウムＡの粒子と鉄Ｂの粒子とを有する混合溶加材Ｃが供給される。混合溶加材Ｃがレーザ光３２により加熱されることによって、アルミニウムＡが溶融されるとともに、鉄Ｂの粒子がアルミニウムＡ内に分散する。
例えば、第一番目の異種金属層形成工程Ｐ２で使用される混合溶加材ＣにおけるアルミニウムＡと鉄Ｂの体積比Ａｌ：Ｆｅは、６６：３３である。即ち、第一番目の異種金属層形成工程Ｐ２においては、鉄Ｂの比率よりもアルミニウムＡの比率の方が大きい。これにより、第一異種金属層２１を構成する金属において、アルミニウムＡと鉄Ｂの体積比Ａｌ：Ｆｅは、６６：３３となる。
アルミニウムＡの粒子の粒径は、例えば、４０±１０μｍであり、鉄Ｂの粒子の粒径は、例えば、１００±２０μｍとすることが好ましい。即ち、アルミニウムＡの粒子の粒径は、鉄Ｂの粒子の粒径よりも十分に小さい。このような粒径に設定することによって、アルミニウムＡをより溶融しやすくなる。
なお、必ずしもアルミニウムＡの粒子の粒径と鉄Ｂの粒子の粒径とを異ならせる必要はない。
ＬＭＤ装置３０のレーザ光３２のエネルギーは、混合溶加材Ｃの温度がアルミニウムの融点（６６０．３℃）以上、鉄Ｂの融点（１５３８℃）以下となるように調整されている。
これにより、アルミニウムＡが溶融する一方で、鉄Ｂは溶融することがなく、アルミニウムＡ中に鉄Ｂの粒子が分散している異種金属層２１，２２，２３が形成される。溶融されたアルミニウムＡは、第一被接合材１１と溶接される。なお、異種金属層２１，２２，２３において、鉄Ｂの粒子の表層には、金属間化合物が形成されるが、異種金属層２１，２２，２３を構成するアルミニウムＡ同士が強固に結合されていることにより、この金属間化合物が大きく強度に影響することはない。
図６に示すように、積層順序の第二番目の異種金属層形成工程Ｐ３により、第一異種金属層２１の表面２１ａに第二異種金属層２２が形成される。
例えば、第二番目の異種金属層形成工程Ｐ３で使用される混合溶加材ＣにおけるアルミニウムＡと鉄Ｂの体積比Ａｌ：Ｆｅは、５０：５０である。即ち、第二番目の異種金属層形成工程Ｐ３においては、第一番目の異種金属層形成工程Ｐ２で使用される混合溶加材Ｃと比較して、鉄Ｂの比率が大きい。
これにより、第二異種金属層２２を構成する金属において、アルミニウムＡと鉄Ｂの体積比Ａｌ：Ｆｅは、５０：５０となる。
図７に示すように、積層順序の第三番目の異種金属層形成工程Ｐ４により、第二異種金属層２２の表面２２ａに第三異種金属層２３が形成される。
例えば、第三番目の異種金属層形成工程Ｐ４で使用される混合溶加材ＣにおけるアルミニウムＡと鉄Ｂの体積比Ａ：Ｂは、３３：６６である。即ち、第三番目の異種金属層形成工程Ｐ４においては、第二番目の異種金属層形成工程Ｐ３で使用される混合溶加材Ｃと比較して、鉄Ｂの比率が大きい。
これにより、第三異種金属層２３を構成する金属において、アルミニウムＡと鉄Ｂの体積比Ａｌ：Ｆｅは、３３：６６となる。
以上のように、異種金属層形成工程Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４によって、積層順序が増加するにつれて鉄Ｂの比率が大きくなる異種金属層積層構造２０が形成される。
図８に示すように、第二金属層形成工程Ｐ５は、異種金属層積層構造２０の表面２０ａに鉄Ｂから形成された層である第二金属層１３を積層する工程である。溶加材は、鉄Ｂの粒子のみによって構成されている。
ＬＭＤ装置３０のレーザ光３２のエネルギーは、鉄Ｂの粒子（溶加材）の温度が鉄の融点（１５３８℃）以上となるように調整されている。これにより、鉄Ｂの粒子は溶融する。
第二被接合材溶接工程Ｐ６は、第二金属層１３に、鉄Ｂから形成された第二被接合材１２を溶接する工程である。これにより、図１に示すような接合継手１が完成する。
なお、第二被接合材溶接工程Ｐ６では、ＬＭＤ装置３０を用いて第二被接合材１２を積層する必要はなく、例えば、別途用意した第二被接合材１２を溶接してもよい。
上記実施形態によれば、異種金属層２１，２２，２３を構成するアルミニウムＡが第一被接合材１１と溶接されるとともに、第二金属層１３を形成する際に第二金属層１３と異種金属層２１，２２，２３に分散された鉄Ｂとが溶接される。次いで、第二金属層１３に第二被接合材１２を溶接することにより、互いに混合することによって脆弱な金属間化合物が生成されるような金属の組合せであっても、必要な強度を確保して接合することができる。
また、異種金属層積層構造２０において、鉄Ｂの比率を徐々に大きくなるように変化させることによって、第一被接合材１１と第二被接合材１２との接合強度を増すことができる。
また、混合溶加材Ｃを構成するアルミニウムＡの粒子の粒径を、鉄Ｂの粒子の粒径よりも小さくしたことによって、アルミニウムＡをより溶融し易くすることができる。
なお、上記実施形態では、第一金属をアルミニウムＡとし、第二の金属材料を鉄Ｂとしたが、これに限ることはなく、例えば、異種金属間の溶接に適した二種類の金属を用いてもよい。例えば、アルミニウムとチタン（Ｔｉ）の組合せ、チタンとニッケル（Ｎｉ）の組合せ、チタンと鉄の組合せ、アルミニウムとニッケルの組合せ、銅とニッケルの組合せ等にも適用が可能である。
また、上記実施形態では異種金属層形成工程Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４を三段階としたが、これに限ることはなく、さらに段階を増やしてもよい。これにより、異種金属層同士の接合強度を高めることができる。
また、上記実施形態ではアルミニウムＡの粒子の粒径と鉄Ｂの粒子の粒径とを異ならせたが、アルミニウムＡの粒子の粒径と鉄Ｂの粒子の粒径とを同じにしてもよい。ただし、融点に大きな差が無い異種金属同士を接合する場合は、粒径に差をつけることが好ましい。異種金属同士の融点が近いほど、粒径を大きく異ならせるようにしてもよい。
〔第一の変形例〕
次に、第一実施形態の第一の変形例について説明する。
第一の変形例の異種金属接合方法は、複数の異材金属層形成工程Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４を、積層順序が増加するにつれて、鉄Ｂの粒子の粒径が順次小さくなるように実行する。
例えば、積層順序の第一番目の異種金属層形成工程Ｐ２では、鉄Ｂの粒子の粒径を１００μｍ程度とし、第三番目の異種金属層形成工程Ｐ４では、鉄Ｂの粒子の粒径を３０μｍ程度とする。
上記変形例によれば、溶接における加熱温度を変化させることなく、鉄Ｂの粒子を徐々に溶融させることができる。これにより、異種金属層積層構造２０と第二金属層１３との接合強度を増すことができる。
〔第二の変形例〕
次に、第一実施形態の第二の変形例について説明する。
第二の変形例の異種金属接合方法は、複数の異材金属層形成工程Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４を、積層順序が増加するにつれて、混合溶加材Ｃの加熱温度が大きくなるように実行する。
例えば、第一番目の異種金属層形成工程Ｐ２では、レーザ光３２のエネルギーを混合溶加材Ｃの温度がアルミニウムの融点よりも１０℃程度高い温度となるようなエネルギーとし、第三番目の異種金属層形成工程Ｐ４では、レーザ光３２のエネルギーを混合溶加材Ｃの温度が鉄の融点よりも１０℃程度低い温度となるようなエネルギーとする。
このような構成によれば、アルミニウムＡ中に分散される鉄Ｂの粉末を積層順序が増加するにつれて徐々に溶解させることができる。
上記変形例によれば、積層順序が増加するにつれて鉄Ｂの粒子を徐々に溶融させることができる。これにより、異種金属層積層構造２０と第二金属層１３との接合強度を増すことができる。
〔第二の実施形態〕
以下、本発明の第二の実施形態の異種金属接合方法について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、上述した第一の実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図９に示すように、本実施形態の異種金属接合方法において、異種金属層２１，２２，２３を形成するための溶接装置３０Ｂは、アルミニウムＡをワイヤで供給する。
即ち、本実施形態の溶接装置３０Ｂは、レーザ光３２を照射する照射口と鉄の粒子を噴射する噴射口とを有するノズル３１Ｂと、アルミニウムＡのワイヤＷを供給するワイヤ供給装置３５と、を備えている。
上記実施形態によれば、アルミニウムＡをワイヤＷにて供給することによって、アルミニウム粉末を用いることなくアルミニウムＡの層を形成することができる。即ち、アルミニウム粉末が拡散する等の不具合を排除することができる。また、微粉に加工することが困難であるアルミニウムを加工する必要がなくなる。
ここで、ワイヤの送り速度や径を変えることで、アルミニウムの供給量を調整することができる。
〔タービンロータへの適用〕
本実施形態の異種金属接合方法は、タービンロータを構成するタービン翼車とロータ軸との接続に用いることができる。
図１０に示すように、タービンロータ４０は、タービン翼車４１と、ロータ軸４２と、を有し、タービン翼車４１とロータ軸４２との接合に、本発明の実施形態の異種金属接合方法を用いている。タービン翼車４１とロータ軸４２との接合面には、異種金属層積層構造２０が形成されている。
タービン翼車４１は耐熱性を必要とすることから、例えば、チタンによって形成され、ロータ軸４２は、特に耐熱性は必要とされないことから、例えば、鉄によって形成することができる。
このような構成によれば、例えば、タービン翼車４１を耐熱性を有する金属から形成し、ロータ軸４２を耐熱性を必要としない金属から形成して互いに接合する場合においても、必要な強度を確保して接合することができる。
〔船舶への適用〕
本実施形態の異種金属接合方法は、船舶の船体構造の建造時に用いられるＴ字接合継手に用いることができる。
図１１に示すように、Ｔ字接合継手４４は、船舶（図示せず）の船体構造の縦通肋骨（図示せず）の足下やビルドアップロンジ（図示せず）のフェース（図示せず）とウェブ（図示せず）といった母材４５と部材４６とをＴ字状に合わせた継手である。
母材４５と部材４６との接合に、本発明の実施形態の異種金属接合方法を用いている。母材４５と部材４６との接合面には、異種金属層積層構造２０が形成されている。
このような構成によれば、船体構造において使用される接合継手１において、異種金属の組合せであっても、必要な強度を確保して接合することができる。
以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、種々の変更を加えることが可能である。
１ 接合継手
１１ 第一被接合材
１２ 第二被接合材
１３ 第二金属層
２０ 異種金属層積層構造
２１ 第一異種金属層
２２ 第二異種金属層
２３ 第三異種金属層
３０ ＬＭＤ装置
３１ ノズル
３２ レーザ光
３３ 金属粒子
３４ ビード
３５ ワイヤ供給装置
４０ タービンロータ
４１ タービン翼車
４２ ロータ軸
４４ Ｔ字接合継手
４５ 母材
４６ 部材
Ａ アルミニウム（第一金属）
Ｂ 鉄（第二金属）
Ｃ 混合溶加材
Ｐ１ 第一被接合材形成工程
Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４ 異種金属層形成工程
Ｐ５ 第二金属層形成工程
Ｐ６ 第二被接合材溶接工程

Claims (5)

  1. 第一金属から形成された第一被接合材の表面に、前記第一金属から形成された溶加材と前記第一金属よりも融点の高い第二金属から形成された粒子とを有する混合溶加材を供給して、前記混合溶加材を前記第一金属の融点以上前記第二金属の融点以下の温度となるように加熱することで異種金属層を形成する異種金属層形成工程と、
    前記異種金属層の表面に、前記第二金属から形成された溶加材を供給して、前記第二金属から形成された溶加材を前記第二金属の融点以上の温度となるように加熱することで前記第二金属からなる第二金属層を形成する第二金属層形成工程と、
    前記第二金属層に前記第二金属から形成された第二被接合材を溶接する第二被接合材溶接工程と、を備える異種金属接合方法。
  2. 前記異種金属層形成工程を繰り返すことにより、複数の前記異種金属層が順次積層された異種金属層積層構造を形成し、
    積層順序の第一番目の前記異種金属層形成工程で使用される前記混合溶加材における前記第一金属の比率が前記第二金属の比率よりも大きくなるように実行し、
    前記積層順序の第二番目以降の前記異種金属層形成工程を、前記積層順序が増加するにつれて、前記第二金属の比率が順次大きくなるとともに、前記第一金属の比率が順次小さくなるように実行する請求項１に記載の異種金属接合方法。
  3. 前記異種金属層形成工程を繰り返すことにより、複数の前記異種金属層が順次積層された異種金属層積層構造を形成し、
    複数の前記異種金属層形成工程を、積層順序が増加するにつれて前記第二金属の粒子の粒径が順次小さくなるように実行する請求項１又は請求項２に記載の異種金属接合方法。
  4. 前記異種金属層形成工程を繰り返すことにより、複数の前記異種金属層が順次積層された異種金属層積層構造を形成し、
    複数の前記異種金属層形成工程を、積層順序が増加するにつれて前記混合溶加材の加熱温度が大きくなるように実行する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の異種金属接合方法。
  5. 前記第一金属から形成された溶加材はワイヤである請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の異種金属接合方法。
JP2016203499A 2016-10-17 2016-10-17 異種金属接合方法 Active JP6727095B2 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016203499A JP6727095B2 (ja) 2016-10-17 2016-10-17 異種金属接合方法
CN201780046533.5A CN109496171B (zh) 2016-10-17 2017-10-12 异种金属接合方法
US16/320,862 US11235408B2 (en) 2016-10-17 2017-10-12 Method for bonding dissimilar metals to each other
PCT/JP2017/036952 WO2018074312A1 (ja) 2016-10-17 2017-10-12 異種金属接合方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016203499A JP6727095B2 (ja) 2016-10-17 2016-10-17 異種金属接合方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2018065144A JP2018065144A (ja) 2018-04-26
JP6727095B2 true JP6727095B2 (ja) 2020-07-22

Family

ID=62018559

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016203499A Active JP6727095B2 (ja) 2016-10-17 2016-10-17 異種金属接合方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11235408B2 (ja)
JP (1) JP6727095B2 (ja)
CN (1) CN109496171B (ja)
WO (1) WO2018074312A1 (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11504801B2 (en) * 2018-08-24 2022-11-22 Phoenix Laser Solutions Bimetallic joining with powdered metal fillers
KR102235921B1 (ko) * 2019-09-05 2021-04-05 주식회사 히즈시스템 3d 프린터를 이용한 금형 제조 방법

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02224889A (ja) * 1989-02-28 1990-09-06 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd ステンレス鋼と異種金属との溶接方法
JP2982355B2 (ja) 1991-03-25 1999-11-22 石川島播磨重工業株式会社 金属材料の表面処理方法
US6492037B2 (en) * 1997-07-11 2002-12-10 Kabushiki Kaisha Toshiba Joined structure of dissimilar metallic materials
JPH11315973A (ja) * 1998-05-01 1999-11-16 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 組成の異なる鋼材の溶接方法
JP5343307B2 (ja) * 2006-05-16 2013-11-13 日産自動車株式会社 燃料電池スタックおよび燃料電池セパレータ並びにその製造方法
KR100787929B1 (ko) 2007-02-09 2007-12-24 한국원자력연구원 비정질 삽입재를 이용한 티타늄-구리 이종 금속간의 저온접합 방법
JP5553250B2 (ja) 2007-08-10 2014-07-16 日産自動車株式会社 異種金属接合方法
JP2009061500A (ja) 2007-08-10 2009-03-26 Nissan Motor Co Ltd 異種金属接合部材及び異種金属接合方法
CN101269436B (zh) * 2008-05-06 2010-06-02 哈尔滨工业大学 铝-钛合金异种金属刮擦搅拌焊方法
FR2963899B1 (fr) * 2010-08-17 2013-05-03 Air Liquide Procede et dispositif de soudage a l'arc avec une torche mig /mag associee a une torche tig
CN103237713B (zh) 2010-12-06 2015-09-30 本田技研工业株式会社 副框架结构体
JP5458031B2 (ja) 2011-01-21 2014-04-02 本田技研工業株式会社 異材接合構造体の接合方法
US20150336219A1 (en) * 2011-01-13 2015-11-26 Siemens Energy, Inc. Composite materials and methods for laser manufacturing and repair of metals
SG183576A1 (en) * 2011-02-09 2012-09-27 Shell Chemicals Seraya Pte Ltd Method for welding dissimilar metals
CN102303191B (zh) 2011-06-29 2013-01-23 重庆大学 一种异种金属两步式双温瞬间液相连接方法
CN102500872A (zh) * 2011-10-17 2012-06-20 烟台鲁宝有色合金有限公司 铜-钢异种金属焊接方法
EP2808117B8 (de) * 2013-05-28 2016-06-15 MAGNA STEYR Fahrzeugtechnik AG & Co KG Verfahren zum Herstellen einer Schweißverbindung zwischen einer hochfesten Aluminiumlegierung mit Kupferanteil und einem anderen Teil unter Verwendung von CMT-Schweissen
US20150028010A1 (en) * 2013-07-24 2015-01-29 Lincoln Global, Inc. System and method of controlling heat input in tandem hot-wire applications
US20150028011A1 (en) * 2013-07-24 2015-01-29 Lincoln Global, Inc. System and method of controlling heat input in tandem hot-wire applications
JP6245906B2 (ja) * 2013-09-13 2017-12-13 公益財団法人鉄道総合技術研究所 ブレーキディスク及びその製造方法
US10500672B2 (en) * 2015-02-04 2019-12-10 Fisher Controls International Llc Methods and apparatus for welding work pieces having dissimilar compositions
DE102015102908A1 (de) * 2015-03-02 2016-09-08 Schuler Pressen Gmbh Verfahren zum Fertigen eines Formteils, Formteil, Werkzeug und Presse mit einem Werkzeug
JP2017094360A (ja) * 2015-11-25 2017-06-01 日鐵住金溶接工業株式会社 Ａｒ−ＣＯ２混合ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ
US20170297137A1 (en) * 2016-04-19 2017-10-19 GM Global Technology Operations LLC Method of joining aluminum and steel workpieces
US11167348B2 (en) * 2017-06-28 2021-11-09 Rolls-Royce Corporation Joining metal or alloy components using electric current

Also Published As

Publication number Publication date
JP2018065144A (ja) 2018-04-26
WO2018074312A1 (ja) 2018-04-26
US11235408B2 (en) 2022-02-01
CN109496171B (zh) 2020-09-18
CN109496171A (zh) 2019-03-19
US20190160576A1 (en) 2019-05-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7762447B2 (en) Multiple pass and multiple layer friction stir welding and material enhancement processes
JP6885674B2 (ja) 部品及びその製造方法
JP2017039995A (ja) 接合プリフォームの付加製造
KR102379683B1 (ko) 소결 와이어의 제조 및 레이저 와이어 용접 시스템으로의 인 시투 공급
JP6727095B2 (ja) 異種金属接合方法
CN110603115B (zh) 层叠造型部件的接合方法及结构体、以及层叠造型部件
JP6757600B2 (ja) 異種金属積層構造形成方法
US9221121B2 (en) Welding process for welding three elements using two angled energy beams
US10384285B2 (en) Method of selective laser brazing
KR101047877B1 (ko) 하이브리드 마찰 교반 접합시스템을 이용한 이종재료 접합방법
JP2019063858A (ja) 積層造形物の製造方法及び積層造形物
WO2020080425A1 (ja) 硬化層の積層方法、及び積層造形物の製造方法
JP7357138B2 (ja) 厚さの異なるクラッド層を持つクラッド材
US20220111441A1 (en) Method of additive manufacturing with separation via a frangible zone
WO2018198871A1 (ja) 積層造形部品の接合方法及び構造体、並びに積層造形部品
US20220397141A1 (en) Hybrid butt-lap joint, and method of production
JP7111691B2 (ja) 金属複合材及び金属複合材の製造方法
JP2017001139A (ja) チップ接合方法及び鋸刃
JP2010053797A (ja) 羽根車の製造方法
JP2008297567A (ja) 長繊維金属基複合材料およびこれを含む複合断面部材の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20161018

RD03 Notification of appointment of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423

Effective date: 20181109

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190705

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200623

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200630

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6727095

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150